Radio sirens: inferring $H_0$ with binary black holes and neutral hydrogen in the era of the Einstein Telescope and the SKA Observatory

Résumé technique : Sirènes radio : Inférence de $H_0$ avec des trous noirs binaires et de l'hydrogène neutre

Énoncé du problème
La cosmologie des ondes gravitationnelles (OG) repose sur des « sirènes standards » pour mesurer le taux d'expansion de l'Univers. Bien que les signaux d'OG provenant de fusions de trous noirs binaires (TNB) fournissent des mesures directes de la distance de luminosité, l'extraction de paramètres cosmologiques nécessite des informations indépendantes sur le décalage vers le rouge. Les « sirènes lumineuses » (événements avec contreparties électromagnétiques) sont rares, n'ayant été observées qu'une seule fois à ce jour. Par conséquent, le domaine repose sur les « sirènes sombres », qui infèrent le décalage vers le rouge de manière statistique. Les méthodes actuelles de sirènes sombres utilisent généralement des catalogues de galaxies pour construire des priors de décalage vers le rouge le long de la ligne de visée (LoS) ou emploient des statistiques résumées comme la corrélation croisée. Cependant, ces approches font face à des défis concernant l'exhaustivité des catalogues, les limites de flux et la nécessité d'une modélisation complexe des fonctions de luminosité des galaxies, en particulier aux grands décalages vers le rouge. Cet article répond au besoin d'un prior de décalage vers le rouge spectroscopique robuste, qui exploite la structure à grande échelle (SGE) de l'Univers sans dépendre de catalogues de galaxies discrets et potentiellement incomplets.

Méthodologie
Les auteurs proposent un cadre novateur nommé « sirènes radio », qui synergise des observations simulées du télescope Einstein (ET) et de l'observatoire du carré kilomètre (SKAO). La méthodologie emploie un cadre d'inférence bayésienne hiérarchique (IBH) pour combiner les données d'OG avec des données de cartographie d'intensité de l'hydrogène neutre (HI).

1. Simulations :

   • Cartes de matière noire (MN) et de HI : Des cartes de SGE factices ont été construites à l'aide de simulations haute résolution de l'Univers de l'énergie noire et des neutrinos massifs (DEMNUni). Celles-ci ont été converties en cartes de contraste de densité de HI ($\delta_{HI}$) en supposant une relation de biais linéaire ($b_{HI}=1$) par rapport au champ de MN. Les cartes couvrent une surface céleste de $20\,000 \text{ deg}^2$ jusqu'à un décalage vers le rouge $z \sim 3$, correspondant aux capacités du SKA-Mid en mode télescope unique.
   • Événements d'OG : $10^4$ événements de fusion de TNB ont été simulés pour l'ET. Le taux de fusion a été modélisé comme une fonction du contraste de densité de MN, en supposant que les OG traquent la distribution de matière sous-jacente ($b_{GW}=1, \alpha_{GW}=0$). Les événements ont été filtrés pour ne inclure que ceux ayant un rapport signal-sur-bruit (SNR) $> 150$, résultant en $\sim 3\,100$ événements détectables. Deux catalogues ont été générés : « OG en amas » (distribués selon le champ de MN) et « OG isotropes » (distribués uniformément).

2. Cadre d'inférence :

   • L'analyse utilise le logiciel icarogw pour effectuer une analyse bayésienne hiérarchique.
   • L'innovation centrale réside dans l'utilisation du champ de densité HI 3D pour construire un prior de décalage vers le rouge le long de la ligne de visée pour les événements d'OG. Au lieu d'attribuer des probabilités à des galaxies discrètes, la méthode utilise le contraste de densité HI continu pour pondérer la probabilité qu'une source d'OG réside à un décalage vers le rouge spécifique le long d'une ligne de visée donnée.
   • L'analyse exclut explicitement les informations sur la masse dans le référentiel de la source (méthodes de sirènes spectrales) pour isoler le pouvoir de contrainte du prior HI et éviter la dépendance à des modèles astrophysiques spécifiques de masse.

Contributions clés

• Concept de sirènes radio : L'article introduit et teste une approche de « sirènes radio », utilisant la cartographie d'intensité HI comme prior de décalage vers le rouge spectroscopique pour les sirènes sombres. Cela offre une vue tomographique de la SGE qui contourne les problèmes d'exhaustivité inhérents aux catalogues de galaxies limités en flux.
• Validation de la preuve de concept : L'étude démontre que la combinaison des détections de TNB par l'ET avec les cartes HI du SKAO peut resserrer considérablement les contraintes sur les paramètres cosmologiques.
• Identification des risques systématiques : Les auteurs testent rigoureusement la sensibilité de la méthode au modèle de regroupement supposé. En comparant les distributions de TNB en amas et isotropes, ils soulignent que la validité de la méthode est conditionnelle au fait que la population d'OG traque avec précision le champ HI.

Résultats

• Contrainte sur $H_0$ : Lors de l'analyse du catalogue « OG en amas » avec le prior HI, la constante de Hubble est contrainte à $H_0 = 65,8^{+4,9}_{-5,2} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$ à 68 % de crédibilité. Cela représente une précision d'environ 8 %.
• Facteur d'amélioration : Ce résultat constitue une amélioration d'environ 90 % par rapport à l'analyse du même catalogue de TNB en amas sans information HI, où le posterior sur $H_0$ s'est avéré largement non informatif.
• Sensibilité au biais : Dans le scénario « OG isotropes » (où les OG ne traquent pas le champ HI), l'application du prior HI a entraîné un biais significatif, surestimant $H_0$. Cela confirme que la méthode produit des résultats biaisés si la relation de regroupement supposée entre les OG et la SGE est incorrecte.
• Histoire de l'expansion : L'inclusion des données HI permet une reconstruction de l'histoire de l'expansion tardive $H(z)$ jusqu'à $z \sim 3$. Les contraintes sont les plus serrées aux faibles décalages vers le rouge ($z \lesssim 0,5$) où le contraste de densité HI est le plus élevé, mais la méthode contraint principalement la normalisation globale ($H_0$) plutôt que la forme détaillée de l'histoire de l'expansion (par exemple, les contraintes sur $\Omega_{m,0}$ restent faibles).
• Auto-cohérence : Le cadre a récupéré avec succès les paramètres de biais injectés ($b_{GW}, \alpha_{GW}$) lorsqu'ils étaient autorisés à varier, indiquant que la méthode est auto-cohérente pour une inférence cosmologique et de regroupement conjointe.

Signification et affirmations
L'article affirme établir la viabilité de base du concept de « sirène radio » comme une voie puissante et indépendante vers la cosmologie de précision à l'ère des détecteurs d'OG de troisième génération et des télescopes radio de nouvelle génération. Les auteurs soulignent que cette approche offre un prior de décalage vers le rouge motivé physiquement qui exploite la structure 3D de l'Univers sans les corrections d'exhaustivité requises par les catalogues de galaxies.

Cependant, les auteurs adoptent une attitude modeste concernant les limitations actuelles. Ils reconnaissent que l'étude est une preuve de concept basée sur des hypothèses optimistes, notamment :

• Un traçage parfait de la MN par le HI ($b_{HI}=1$) sans stochasticité.
• L'utilisation d'approximations de matrice de Fisher pour l'estimation des paramètres d'OG.
• La négligence des systématiques observationnelles telles que les effets de faisceau, le nettoyage des avant-plans et les problèmes de calibration dans les cartes HI.
• L'exclusion des informations sur le spectre de masse des TNB.

L'article conclut que si la méthode des sirènes radio montre des promesses pour contraindre $H_0$ avec une précision d'environ 8 % avec environ 3 000 événements à haut SNR, les travaux futurs devront traiter les modèles astrophysiques réalistes pour les environnements de TNB, les systématiques observationnelles en cartographie d'intensité, et la modélisation conjointe des spectres de masse et du regroupement pour réaliser pleinement le potentiel de cette technique.